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GDR 2449 « Couches Minces de Carbone Amorphe et Nanostructuré »Poitiers, 26 et 27 Septembre 2002
Supra-frottement des films DLC :
Un lien avec les propriétés viscoplastiques ?
Supra-frottement des films DLC :
Un lien avec les propriétés viscoplastiques ?
Julien Fontaine
Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes
Ecole Centrale de Lyon
Généralités sur le frottement des DLC…Quels films présentent les plus faibles
valeurs ?
Sous vide ou avec gaz inerte:
Obtention de coefficients voisin de 0.01
Effet prépondérant de l’hydrogèneMiyake et al. (87), Zaidi et al. (94), Le Huu et al. (95), Yun et al.(97)
Formation d’un film de transfert Donnet et al. (94)
Supra-frottement possible (µ~10-3) Donnet et al. (97), Erdemir et al. (00)
Films a-C:H (PACVD)
Forte teneur en hydrogèneRobertson (98, 02)
Hydrocarbures
(pas de dépôt)
Polymères réticulés
a-C:H
ta-C:H
a-C
ta-C
Carbone
vitreux
H
C sp3
C sp2
Diamant
Dans l’air ambiant:
Obtention de coefficients de frottement dans la gamme 0.05 à 0.3
Films a-C meilleurs que a-C:H (µ<0.15)
Expériences de frottement menées au LTDSTribomètre analytique sous ultra-vide
Charge: 0.5 à 5 NRayon de courbure: 1.5 à 20 mmVitesse: 0.01 to 1 mm/s
Résultats sur le frottement des DLCImportance de la teneur en hydrogène (1)
Sous air ambiant :Pas de différences significatives
Sous ultra-vide :Seuil en teneur en hydrogène entre frottement fort et faible
0.01
0.1
1
Friction coefficient
20% 24% 28% 30% 34% 40% 42%
Hydrogen content (at. %)
Ambient airUHV
Donnet et al. (97)
Résultats sur le frottement des DLCImportance de la teneur en hydrogène (2)
Comportement de couches DLC « modèles » (IBM)
D é pôt A C8 A C5 C Y5
P r éc urs e u r C2
H2
C2
H2
C6
H12
Te nsi o n - 8 0 0 V - 5 0 0 V - 5 0 0 V
C s p2
: C s p3
( % ) 7 0 : 3 0 6 5 : 3 5 5 6 : 4 4
Te n e ur e n H 3 4 % 4 0 % 4 2 %
H li é à C ( F T I R ) 5 7 % 7 3 % 1 0 0 %
F r ott eme nt
0,001
0,01
0,1
1
0 500 1000
Number of cycles
0,001
0,01
0,1
1
0 500 1000
Number of cycles
0,001
0,01
0,1
1
0 500 1000
Number of cycles
T r a c e d ’ u s ur e
100 µm
100 µm
100 µm
Résultats sur le frottement des DLCLubrification par l’hydrogène gazeux
Sous hydrogène gazeux : diminution drastique du frottement
AC 8
T = 1 5 0 ° C – 1 h P a H2
AC 8
T = 2 5° C – 1 0 h P a H2
AC 8
T = 2 5° C - 1 0 h P a A r
0,001
0,01
0,1
1
0 100 200 300 400 500
Number of cycles
0,001
0,01
0,1
1
0 100 200 300 400 500
Number of cycles
0,001
0,01
0,1
1
0 100 200 300 400 500
Number of cycles
100 µm
100 µm
Donnet et al. (01)
Résultats sur le frottement des DLCMécanisme de réduction du frottement
Explique le frottement ultra-faible (10-2), mais:
Pourquoi et comment les films DLC permettent l’obtention du supra-frottement (10-3) ?
Plans de glissement
Films Diamond-Like Carbon étudiés au LTDSCVD assistée par plasma
Échantillons IBM dc-PACVD à partir de C6H12 ou C2H2
Polarisation: -500 à -800 V - Substrat: Si Donnet et al. (97)
Films a-C:H obtenus par différents procédés PACVD
Échantillons industriels (HEF) Procédé hybride PVD / dc-PACVD à partir de C2H2
Polarisation: -35 à -260 V - Substrat: Acier Z100CD17 Fontaine et al. (99), Donnet et al. (99)
Échantillons HDP (High Density Plasma) rf-PACVD à partir de C2H2 ou C2H2 + H2
Polarisation: -50 et -120 V - Substrat: Si Sanchez-Lopez et al. (00, 01)
0.001
0.01
0.1
1
20 30 40 50 60
HDP samples
Hydrogen content (at. %)
0.001
0.01
0.1
1
20 30 40 50 60
HDP samples
IBM samples
Hydrogen content (at. %)
Résultats sur le frottement des DLCTransition entre frottement faible et fort
0.001
0.01
0.1
1
20 30 40 50 60
HDP samplesIBM samplesHEF samples
Hydrogen content (at. %)
Seuil en teneur en hydrogène
dépendant du procédé…
HDP: 26-30 % at.
IBM: 34-40 % at.
HEF: ~ 46 % at.
Co
effi
cien
t d
e fr
ott
emen
t so
us
UH
V
Teneur en hydrogène (%at.)
Structure des films a-C:HRôle de l’hydrogène
Modèle structural des a-C:H :Réseau Covalent Aléatoire
Angus et al. (88, 91)Teneur en hydrogène liée à la réticulation du réseau covalent
Observations expérimentales:Hydrogène non lié
Grill et al. (92), Donnet et al. (99)
Clusters sp2
(aromatiques, à 5 ou 7 atomes…)Robertson (95, 02)
€
sp3
sp2=9⋅H−18−13⋅H
Structure complexe
Caractérisation difficile
Propriétés mécaniques ?
Propriétés mécaniques des films a-C:HExpérimental: nano-indentation
),( RhH ′ε& ),( RhE ′ω
Mesure de la dureté et du module d’Young :Fonction de la profondeur et de la vitesse de déformation
Mesures en mode dynamique
32 Hz
15mN
-5
0
5
10
15
20
-500 0 500 1000 1500 2000 2500
Déplacement ( nm)
Ch
arg
e ( m
N)
PP
hh
&&
& ∝∝ε
Vitesse de déformation constante
Lucas et al. (97), Bucaille et al. (01)
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
00 exp
t
tPP⇒
Nano-Indenter XP (MTS)
Propriétés mécaniques des films a-C:HDureté et vitesse de déformation: éch. IBM
La dureté suit une loi de type Norton-Hoff:
€
H=H0⋅̇ ε x
x: exposant viscoplastiquex=0: comportement plastique
0<x<1: viscoplastiquex=1: visqueux
La dureté diminue et la viscoplasticité augmente
avec la teneur en hydrogène
0.1
1
10
100
0.001 0.01 0.1 1
CY5CY6.5AC5AC8
Strain rate P'/P (s-1
)
x=0,076
x=0,028
x=0,014
x=0,068
H%
D
ure
té
(GP
a)
Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1)
Propriétés mécaniques des films a-C:HDureté et vitesse de déformation: éch. HDP
Résultats confirmés avec les échantillons HDP
0.1
1
10
100
0.001 0.01 0.1 1
HDP58HDP57HDP55HDP56
Strain rate P'/P (s-1
)
H%
x=0,037
x=0,029
x=0,004
x=0,019
D
ure
té
(Gp
a)
Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1)
Frottement sous ultravide et propriétés mécaniquesCorrélation: viscoplasticité et supra-frottement
0.001
0.01
0.1
1
0 0.02 0.04 0.06 0.08
IBM samples
HDP samples
Viscoplastic exponent
Plastique:Frottement élevé
Viscoplastique: supra-frottement
Viscoplasticité:Relaxation du réseau
UH
V f
rict
ion
co
effi
cien
t
Expériences complémentaires
requises…Co
effi
cien
t d
e fr
ott
emen
t so
us
UH
V
Exposant viscoplastique
Alignement des atomes, des “chaînes” ou des aspérités?
0.001
0.01
0.1
1
0 100 200 300 400 500 600
Number of cycles
UHV friction coefficient
Comment contrôler la viscoplasticité des films a-C:H?La piste des dopants…
Film DLC fluoré (IBM): a-C:F:H• Précurseurs: C6F6 + H2
• Polarisation: -600 V rf à 40 mTorr• Composition: 18 % at. F / 5 % at. H
µ=0,005
Donnet et al. (97)
= 23 % d’atomes monovalents
Co
effi
cien
t d
e fr
ott
emen
t so
us
UH
V
Nombre de cycles
Comment contrôler la viscoplasticité des films a-C:H?DLC dopé au fluor
Dureté supérieure aux films a-C:HExposant viscoplastique élevé
(comparé aux a-C:H)
0.1
1
10
100
0.001 0.01 0.1 1
Strain rate P'/P (s-1
)
x=0,060
Propriétés mécaniques :• Dureté H0: 16 GPa• Exposant viscoplastique: 0.060
Har
dn
ess
(Gp
a)
Exponential load rate P’/P (s-1)
0.001
0.01
0.1
1
0 0.02 0.04 0.06 0.08
IBM samples
HDP samples
Viscoplastic exponent
UH
V f
rict
ion
co
effi
cien
t
Co
effi
cien
t d
e fr
ott
emen
t so
us
UH
V
Exposant viscoplastique
D
ure
té (
GP
a)
Vitesse de chargement exponentielle P’/P (s-1 )
Conclusions
Une nouvelle approche du faible frottement des films a-C:H
• Le supra-frottement (sous UHV) est contrôlé par la teneur en hydrogène
• Le seuil en hydrogène dépend du procédé de dépôt
• Les films a-C:H peuvent présenter un caractère viscoplastique
• La viscoplasticité est corrélée au supra-frottement
• Le dopage permet de contrôler les propriétés mécaniques des DLC
Questions ouvertes:
• Quel phénomène physique explique un tel comportement?
• A quelle échelle se passe ce phénomène: atomes, chaînes, aspérités?
• Les films plastiques sont supra-frottant en présence d’H2 gazeux…
Optimisation de films DLC à bas frottement et grande dureté?